CN116390117A - 无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化方法及装置 - Google Patents

无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化方法及装置 Download PDF

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CN116390117A CN202211442040.2A CN202211442040A CN116390117A CN 116390117 A CN116390117 A CN 116390117A CN 202211442040 A CN202211442040 A CN 202211442040A CN 116390117 A CN116390117 A CN 116390117A
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Abstract

本申请提出无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化方法及装置，该方法包括：在任意两个移动用户与无人机UAV中继之间，引入二进制特征参数和上行接入链路信道增益差异判决条件，来构建时变信道关系模型；计算移动用户到UAV中继的上行接入链路数据速率，以及计算UAV中继到远端基站的上行回传链路数据速率，并基于所有时隙对应的上行回传链路数据速率得到上行平均可达和速率；构建上行平均可达和速率最大化问题的优化模型，并在满足优化模型的约束条件下对上行平均可达和速率进行优化，得到上行平均可达和速率最大时对应的可行解；实现优化方案分配。本发明实现基于非正交多址的UAV中继上行通信网络平均可达和速率的提升，能够有效地提升通信效率。

Description

无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化方法及装置
技术领域
本发明属于无线移动通信领域，尤其涉及无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化方法及装置，可应用于用户移动背景下的无人机中继上行通信场景。
背景技术
无人机(unmanned aerial vehicle，UAV)可以作为空中动态中继，利用灵活部署特性为移动用户提供视距通信，将用户数据通过无线回传网络转发给远端基站。进一步，为提升频谱资源利用率以及接入用户数，近来，非正交多址技术被引入到UAV中继上行通信系统，提升了系统频谱资源利用率以及接入用户数，提高了系统可达速率。
目前，从UAV的作用来讲，可以将基于非正交多址的无人机上行通信研究，归纳为以下三类：
其一，UAV作为空中基站：多个地面用户组成基于非正交多址的用户组，并在相同的时频资源单元上同时与UAV基站进行上行通信；
其二，UAV作为空中用户：多个UAV用户组成基于非正交多址的用户组，并在相同的时频资源单元上同时与地面基站或卫星进行上行通信；
其三，UAV作为空中中继：当远端基站难以为终端用户提供可靠通信，或在终端用户和远端基站之间的直接链路质量较差的情况下，UAV可以被部署为空中中继，为终端用户以及远端基站之间通信，提供上行解码转发/放大转发服务，其中，多个终端用户可组成基于非正交多址的用户组，并在相同的时频资源单元上通过无线接入链路与UAV中继进行上行通信。
现有研究为基于非正交多址的UAV上行资源分配和轨迹优化提供了一些潜在解决方案，但另一方面，当前向无人机上行通信网络引入非正交多址技术的研究工作主要集中于UAV作为空中基站以及用户静态的情况。当UAV作为空中中继需要将移动用户的数据转发给远端基站时，尚需考虑以下两点问题：
其一，用户以及UAV位置的时变性引发UAV接收端在进行串行干扰消除(successive interference cancellation，SIC)时的解码次序时变，导致UAV轨迹与SIC解码次序优化强耦合；
其二，向移动用户与UAV中继之间的上行接入链路引入非正交多址将引发共信道干扰，增加干扰功率，导致上行平均可达和速率降低。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，为解决上述问题，本发明针对基于非正交多址的UAV中继上行通信场景，提出一种无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化方法，开展了UAV轨迹优化、接入-回传链路带宽分配以及移动用户终端上行功率控制，旨在提高上行平均可达和速率。
本发明的第二个目的在于提出一种无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化装置。
为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化方法，包括以下步骤：
构建无人机UAV中继上行通信网络场景数据，并基于所述UAV中继上行通信网络场景数据，在任意两个移动用户与无人机UAV中继之间，根据二进制特征参数和上行接入链路信道增益差异判决条件，来构建时变信道关系模型；
利用所述时变信道关系模型得到的UAV中继在每个时隙下的接收信干噪比来计算移动用户到UAV中继的上行接入链路数据速率，以及利用远端基站在每个时隙下的接收信噪比来计算UAV中继到远端基站的上行回传链路数据速率；
构建所述上行回传链路数据速率对应的上行平均可达和速率的最大化问题的优化模型，并在满足优化模型的约束条件下对上行平均可达和速率进行优化，得到上行平均可达和速率最大时对应的可行解；
基于所述上行平均可达和速率最大时对应的可行解，实现优化方案分配。
为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化装置，包括：
模型构建模块，用于构建无人机UAV中继上行通信网络场景数据，并基于所述UAV中继上行通信网络场景数据，在任意两个移动用户与无人机UAV中继之间，根据二进制特征参数和上行接入链路信道增益差异判决条件，来构建时变信道关系模型；
速率计算模块，用于利用所述时变信道关系模型得到的UAV中继在每个时隙下的接收信干噪比，来计算移动用户到UAV中继的上行接入链路数据速率，以及利用远端基站在每个时隙下的接收信噪比，来计算UAV中继到远端基站的上行回传链路数据速率；
可行解计算模块，用于构建所述上行回传链路数据速率对应的上行平均可达和速率的最大化问题的优化模型，并在满足优化模型的约束条件下对上行平均可达和速率进行优化，得到上行平均可达和速率最大时对应的可行解；
方案分配模块，用于基于所述上行平均可达和速率最大时对应的可行解，实现优化方案分配。
本发明实施例的一种无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化方法和装置，针对用户以及UAV位置时变性导致UAV轨迹与SIC解码次序优化强耦合的问题，提出移动用户与UAV中继之间的时变信道关系模型，进而可以基于该模型对UAV轨迹设计与SIC解码次序优化进行解耦处理；针对向接入链路引入非正交多址引发共信道干扰导致上行平均可达和速率降低的问题，联合优化UAV轨迹、接入-回传链路带宽分配、以及移动用户上行功率控制，来抑制非正交多址引发的共信道干扰，实现上行平均可达和速率的提升。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化方法流程图；
图2为根据本发明一个实施例的无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化方法的应用场景图；
图3为根据本发明一个实施例的另一种无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化方法的流程图；
图4为根据本发明一个实施例的无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化装置结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的一种无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化方法和装置。
本发明的应用场景图如图2所示。无人机作为空中动态中继，采用半双工解码转发模式，通过上行接入链路为移动用户提供中继转发服务。为提升系统频谱资源利用率以及UAV接入用户数量，本发明在上行接入链路中引入非正交多址方案，则在上行接入链路中，UAV中继采用SIC来解码接收的叠加信号。随后，UAV中继通过无线回传链路，将解码的多用户数据转发给远端基站，完成用户数据的传输过程。
图1为本发明实施例所提供的一种无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化方法的流程图。
如图1所示，该一种无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化方法包括：
S101，构建无人机UAV中继上行通信网络场景数据，基于UAV中继上行通信网络场景数据，在任意两个移动用户与无人机UAV中继之间，引入二进制特征参数和上行接入链路信道增益差异判决条件，来构建时变信道关系模型；
S102，利用时变信道关系模型得到的UAV中继在每个时隙下的接收信干噪比来计算移动用户到UAV中继的上行接入链路数据速率，以及利用远端基站在每个时隙下的接收信噪比来计算UAV中继到远端基站的上行回传链路数据速率；
S103，构建上行回传链路数据速率对应的上行平均可达和速率的最大化问题的优化模型，并在满足优化模型的约束条件下对上行平均可达和速率进行优化，得到上行平均可达和速率最大时对应的可行解；
S104，基于上行平均可达和速率最大时对应的可行解，实现优化方案分配。
如图3所示，本发明的具体实施步骤包括：
步骤S1：构建包含有单个UAV中继、单个远端基站、以及多个移动用户的UAV中继上行通信网络场景数据。
具体地，将UAV中继的飞行周期T离散化为N个时隙，每一时隙的时长为δt＝T/N,时隙集合表示为{1,2,...,Ν}；UAV飞行速度为vu，u表示UAV；UAV中继在第n个时隙的水平位置坐标为
Figure BDA0003948708930000041
M个移动用户的集合表示为{1,2,...,M}，其中第m个移动用户的上行传输功率为/>
Figure BDA0003948708930000042
针对每个时隙，UAV中继为M个移动用户和远端基站之间通信，提供上行解码转发服务；M个移动用户作为基于非正交多址的用户组，通过无线接入链路将各自数据传输给UAV中继，UAV中继通过无线回传链路将解码的多用户信号再转发给远端基站；为避免接入和回传链路间共信道干扰，接入与回传链路之间采用正交频分方式来利用系统带宽W，其中，在第n个时隙，无线接入链路带宽分配系数为/>
Figure BDA0003948708930000051
无线回传链路带宽分配系数
Figure BDA0003948708930000052
步骤S2：基于UAV中继上行通信网络场景数据，在任意两个移动用户与无人机UAV中继之间，引入二进制特征参数和上行接入链路信道增益差异判决条件，来构建时变信道关系模型。包括：
步骤21：在每一时隙内将UAV中继以及移动用户的位置视为静态，而在两个相邻时隙间将UAV中继以及移动用户的位置视为动态变化情况；
步骤22：在每一时隙内，UAV中继利用串行干扰消除，并依据信道增益递减次序来解码接收到的叠加信号。具体讲，通过利用串行干扰消除，具有低信道增益的移动用户将解码并移除具有高信道增益的移动用户的信号。基于此，在任意两个移动用户与无人机UAV中继之间，引入二进制特征参数
Figure BDA0003948708930000053
和上行接入链路信道增益差异判决条件，来构建时变信道关系模型，如下所示：
Figure BDA0003948708930000054
Figure BDA0003948708930000055
Figure BDA0003948708930000056
上式中，
Figure BDA0003948708930000057
表示在时隙n下移动用户i与UAV之间的上行接入链路信道增益系数的平方，所述上行接入链路由视距链路LoS和非视距链路NLoS两部分组成，即所述判决条件不以移动用户和UAV之间的距离差异为依据，而是以实际无线信道中LoS和NLoS分量共同作用下的信道增益的差异为依据，m和k分别为不同的移动用户。所述模型的作用如下：其一，在基于非正交多址的上行接入链路中，具有高信道增益的移动用户m将不能解码具有低信道增益的移动用户k的信号，此时移动用户m视移动用户k的信号为干扰信号；其二，当移动用户m、移动用户k的信道增益相同时，其中任意一个用户将被视为中心用户，另一个用户则被视为边缘用户。
步骤S3：在每个时隙分别计算UAV中继的接收信干噪比，以及远端基站的接收信噪比。
具体地，利用所述移动用户与UAV中继之间的时变信道关系模型，计算UAV中继在时隙n的接收信干噪比
Figure BDA0003948708930000061
表达式如下：
Figure BDA0003948708930000062
上式中，
Figure BDA0003948708930000063
表示移动用户m在时隙n下的上行传输功率，/>
Figure BDA0003948708930000064
表示在时隙n下移动用户m与UAV中继的信道增益系数，N0表示噪声功率。
此外，计算远端基站在时隙n的接收信噪比
Figure BDA0003948708930000065
表达式如下：
Figure BDA0003948708930000066
上式中，
Figure BDA0003948708930000067
表示UAV传输功率，/>
Figure BDA0003948708930000068
表示在时隙n下UAV到远端基站的信道增益系数。
步骤S4：计算移动用户到UAV中继的上行接入链路数据速率，以及UAV中继到远端基站的上行回传链路数据速率。
具体地，利用每个时隙下UAV中继的接收信干噪比，计算移动用户到UAV中继的上行接入链路数据速率；则在时隙n，移动用户m到UAV中继的上行接入链路数据速率可表示为：
Figure BDA0003948708930000069
类似地，利用每个时隙下远端基站的接收信噪比，计算UAV中继到远端基站的上行回传链路数据速率；则在时隙n，UAV中继到远端基站的上行回传链路数据速率可表示为：
Figure BDA00039487089300000610
步骤S5：将远端基站在N个时隙对应的所有上行回传链路数据速率加和求平均，得到上行平均可达和速率。
具体地，将远端基站在N个时隙对应的所有上行回传链路数据速率加和求平均，得到上行平均可达和速率，其表达式如下：
Figure BDA00039487089300000611
步骤S6：构建上行平均可达和速率最大化问题的优化模型以及满足的约束条件。
具体地，在保证UAV轨迹约束、系统带宽约束、移动用户终端总传输功率限制、以及接入-回传链路信息因果约束前提下，通过优化UAV轨迹、接入-回传链路带宽分配、以及移动用户上行传输功率，构建上行平均可达和速率最大化问题，如下所示：
Figure BDA0003948708930000071
s.t.C1:
Figure BDA0003948708930000072
C2:
Figure BDA0003948708930000073
C3:
Figure BDA0003948708930000074
C4:
Figure BDA0003948708930000075
C5:
Figure BDA0003948708930000076
C6:
Figure BDA0003948708930000077
C7-1:
Figure BDA0003948708930000078
C7-2:
Figure BDA0003948708930000079
C7-3:
Figure BDA00039487089300000710
上式中，上行平均可达和速率最大化问题的优化模型为/>
Figure BDA00039487089300000711
C1和C2表示UAV轨迹约束，C3表示移动用户m的上行传输功率应为正数且不得超过其最大传输功率Pm,max，C4和C5表示接入链路与回传链路的带宽不得超过系统总带宽，C6表示信息因果约束，C7(包括C7-1，C7-2，C7-3)为UAV中继执行串行干扰消除的必要前提条件。
步骤S7：在满足约束的条件下对上行平均可达和速率进行优化，得到上行平均可达和速率最大时对应的UAV轨迹、接入-回传链路带宽分配、以及移动用户终端功率控制的可行解；包括：
S71：通过利用块坐标下降算法，将步骤6构建的上行平均可达和速率最大化问题，分解为UAV轨迹优化子问题以及上行资源分配子问题，其中上行资源分配子问题包括接入-回传链路带宽分配、以及移动用户终端上行功率控制。具体地，对于给定的资源分配可行解，构建基于非正交多址的UAV中继轨迹优化子问题，如下所示：
Figure BDA0003948708930000081
Figure BDA0003948708930000082
Figure BDA0003948708930000083
Figure BDA0003948708930000084
Figure BDA0003948708930000085
Figure BDA0003948708930000086
Figure BDA0003948708930000087
可选的，以上子问题可以通过串行凸近似等优化算法来求解，以此迭代更新每一时隙下的UAV轨迹可行解。
S72：对于给定的UAV轨迹可行解，构建基于非正交多址的UAV中继通信网络上行资源分配子问题，如下所示：
Figure BDA0003948708930000088
Figure BDA0003948708930000089
Figure BDA00039487089300000810
Figure BDA00039487089300000811
Figure BDA00039487089300000812
可选的，以上子问题可以通过串行凸近似等优化算法来求解，以此迭代更新每一时隙下的接入-回传链路带宽分配、以及移动用户终端上行功率控制可行解。
S73：交替优化步骤S71所构建的UAV中继轨迹优化子问题，以及步骤S72所构建的上行资源分配子问题，直至算法收敛，最终得到上行平均可达和速率最大时对应的UAV轨迹、接入-回传链路带宽分配、以及移动用户上行功率控制的可行解；
步骤S8：UAV中继按照上行平均可达和速率最大时对应的UAV轨迹进行飞行，同时按照对应的带宽分配以及功率控制可行解，进行接入-回传链路带宽分配、以及移动用户终端功率控制，实现优化方案的分配。
根据本发明实施例的无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化方法，在引入非正交多址技术提高频谱资源利用率的同时，通过UAV轨迹优化设计、接入-回传链路带宽分配、以及移动用户上行功率控制，抑制因频谱资源复用引发的共信道干扰，降低共信道干扰功率，实现上行平均可达和速率的提升。
图4为根据本发明一个实施例的无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化装置的结构示意图。
如图4所示，该装置10包括：模型构建模块100、速率计算模块200、可行解计算模块300和方案分配模块400。
模型构建模块100，用于构建无人机UAV中继上行通信网络场景数据，并基于UAV中继上行通信网络场景数据，在任意两个移动用户与无人机UAV中继之间，引入二进制特征参数和上行接入链路信道增益差异判决条件，来构建时变信道关系模型；
速率计算模块200，用于利用所述时变信道关系模型得到的UAV中继在每个时隙下的接收信干噪比，来计算移动用户到UAV中继的上行接入链路数据速率，以及利用远端基站在每个时隙下的接收信噪比，来计算UAV中继到远端基站的上行回传链路数据速率；
可行解计算模块300，用于构建所述上行回传链路数据速率对应的上行平均可达和速率的最大化问题的优化模型，并在满足优化模型的约束条件下对上行平均可达和速率进行优化，得到上行平均可达和速率最大时对应的可行解；
方案分配模块400，用于基于所述上行平均可达和速率最大时对应的可行解，实现优化方案分配。
根据本发明实施例的无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化装置，在引入非正交多址技术提高频谱资源利用率的同时，通过UAV轨迹优化设计、接入-回传链路带宽分配、以及移动用户上行功率控制，抑制因频谱资源复用引发的共信道干扰，降低共信道干扰功率，实现上行平均可达和速率的提升。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建无人机UAV中继上行通信网络场景数据，并基于所述UAV中继上行通信网络场景数据，在任意两个移动用户与无人机UAV中继之间，根据二进制特征参数和上行接入链路信道增益差异判决条件，来构建时变信道关系模型；
利用所述时变信道关系模型得到的UAV中继在每个时隙下的接收信干噪比，来计算移动用户到UAV中继的上行接入链路数据速率，以及利用远端基站在每个时隙下的接收信噪比来计算UAV中继到远端基站的上行回传链路数据速率；
构建所述上行回传链路数据速率对应的上行平均可达和速率的最大化问题的优化模型，并在满足优化模型的约束条件下对上行平均可达和速率进行优化，得到上行平均可达和速率最大时对应的可行解；
基于所述上行平均可达和速率最大时对应的可行解，实现优化方案分配。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述UAV中继上行通信网络场景数据，包括UAV中继、远端基站以及多个移动用户；基于所述UAV中继上行通信网络场景数据，在任意两个移动用户与无人机UAV中继之间，根据二进制特征参数和上行接入链路信道增益差异判决条件，来构建时变信道关系模型，包括：
根据每一时隙下UAV中继和移动用户之间的信道增益来构建时变信道关系模型，首先，基于移动用户终端与UAV中继位置时变性，将UAV中继以及移动用户的位置在每一时隙内视为静态，而在两个相邻时隙间视为动态变化情况；然后，引入二进制特征参数
Figure FDA0003948708920000011
来表征UAV中继在接收到任意两个移动用户m和k的信号时所进行的串行干扰消除的解码状态；进一步，基于上行非正交多址原理，在任意两个移动用户m和k与UAV中继之间，通过引入上行接入链路信道增益差异判决条件来赋值二进制特征参数/>
Figure FDA0003948708920000012
即在所述UAV中继上行通信网络的上行接入链路中，当判决条件满足/>
Figure FDA0003948708920000013
时，具有高信道增益的移动用户m将不能解码具有低信道增益的移动用户k的信号，此时移动用户m视移动用户k的信号为干扰信号，此时赋值/>
Figure FDA0003948708920000014
反之，当判决条件满足|/>
Figure FDA0003948708920000015
时，令
Figure FDA0003948708920000016
此外，当/>
Figure FDA0003948708920000017
时，为避免移动用户m和k被同时视为中心用户或边缘用户，引入条件/>
Figure FDA0003948708920000021
以及条件/>
Figure FDA0003948708920000022
以使任意一个用户被视为中心用户，另一个用户则被视为边缘用户；
所述时变信道关系模型的表达式为：
Figure FDA0003948708920000023
Figure FDA0003948708920000024
Figure FDA0003948708920000025
式中，
Figure FDA0003948708920000026
表示在时隙n下移动用户i与UAV之间的上行接入链路信道增益系数的平方，所述上行接入链路由视距链路LoS和非视距链路NLoS两部分组成，即所述信道增益差异判决条件不以移动用户和UAV之间的距离差异为依据，而是以实际无线信道中LoS和NLoS分量共同作用下的信道增益的差异为依据，m和k分别为不同的移动用户，u为无人机。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法，还包括：
在所述UAV中继上行通信网络中，基于所述的时变信道关系模型来计算UAV中继在时隙n的接收信干噪比，即通过利用二进制特征参数
Figure FDA0003948708920000027
来表征UAV中继进行SIC的解码状态，进而基于所述二进制特征参数来构建干扰项/>
Figure FDA0003948708920000028
基于此，UAV中继在时隙n的接收信干噪比表达式为：
Figure FDA0003948708920000029
式中，
Figure FDA00039487089200000210
表示移动用户m在时隙n下的上行传输功率，/>
Figure FDA00039487089200000211
表示在时隙n下移动用户m与UAV中继的信道增益系数，N0表示噪声功率；
计算远端基站在时隙n的接收信噪比的表达式为：
Figure FDA0003948708920000031
式中，
Figure FDA0003948708920000032
表示UAV传输功率，/>
Figure FDA0003948708920000033
表示在时隙n下UAV到远端基站的信道增益系数；
利用每个时隙下UAV中继的接收信干噪比，计算移动用户到UAV中继的上行接入链路数据速率，则在时隙n，移动用户m到UAV中继的上行接入链路数据速率表达式为：
Figure FDA0003948708920000034
利用每个时隙下远端基站的接收信噪比，计算UAV中继到远端基站的上行回传链路数据速率；则在时隙n，UAV中继到远端基站的上行回传链路数据速率表达式为：
Figure FDA0003948708920000035
将远端基站在N个时隙对应的上行回传链路数据速率进行加和求平均，得到上行平均可达和速率的表达式为：
Figure FDA0003948708920000036
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建上行回传链路数据速率对应的上行平均可达和速率的最大化问题的优化模型，包括：
在所述UAV中继上行通信网络中，构建多种约束条件，所述多种约束条件包括：UAV轨迹约束、系统带宽约束、移动用户终端传输功率限制、以及接入-回传链路信息因果约束；
基于所述多种约束条件，通过优化UAV轨迹、接入-回传链路带宽分配、以及移动用户上行传输功率，构建上行平均可达和速率最大化问题的优化模型，所述构建上行平均可达和速率最大化问题的优化模型的表达式为：
Figure FDA0003948708920000041
s.t.C1:
Figure FDA0003948708920000042
C2:
Figure FDA0003948708920000043
C3:
Figure FDA0003948708920000044
C4:
Figure FDA0003948708920000045
C5:
Figure FDA0003948708920000046
C6:
Figure FDA0003948708920000047
C7-1:
Figure FDA0003948708920000048
C7-2:
Figure FDA0003948708920000049
C7-3:
Figure FDA00039487089200000410
式中，C1和C2表示UAV轨迹约束，C3表示移动用户m的上行传输功率应为正数且不超过其最大传输功率Pm,max，C4和C5表示接入链路与回传链路的带宽不超过系统总带宽，C6表示信息因果约束，C7：包括C7-1，C7-2，C7-3，为UAV中继执行串行干扰消除的必要前提条件。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述在满足优化模型的约束条件下对上行平均可达和速率进行优化，得到上行平均可达和速率最大时对应的可行解，包括：
基于资源分配可行解，构建基于非正交多址的UAV中继轨迹优化子问题；
基于UAV轨迹可行解，构建基于非正交多址的UAV中继通信网络上行资源分配子问题；
交替优化所述UAV中继轨迹优化子问题和系统上行资源分配子问题，直至收敛，得到上行平均可达和速率最大时对应的UAV轨迹、接入-回传链路带宽分配、以及移动用户上行功率控制的可行解。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于资源分配可行解，构建基于非正交多址的UAV中继轨迹优化子问题的表达式为：
Figure FDA0003948708920000051
Figure FDA0003948708920000052
Figure FDA0003948708920000053
Figure FDA0003948708920000054
Figure FDA0003948708920000055
Figure FDA0003948708920000056
Figure FDA0003948708920000057
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于UAV轨迹可行解，构建基于非正交多址的UAV中继通信系统上行资源分配子问题的表达式为：
Figure FDA0003948708920000058
Figure FDA0003948708920000059
Figure FDA00039487089200000510
Figure FDA00039487089200000511
Figure FDA00039487089200000512
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于上行平均可达和速率最大时对应的可行解，实现优化方案分配，包括：
按照上行平均可达和速率最大时对应的UAV轨迹，对所述UAV中继发送飞行指令；
按照对应的带宽分配以及功率控制可行解，进行接入-回传链路带宽分配、以及移动用户终端上行功率控制，实现优化方案的分配。
9.一种无人机中继上行通信的资源分配与轨迹优化装置，其特征在于，包括：
模型构建模块，用于构建无人机UAV中继上行通信网络场景数据，并基于所述UAV中继上行通信网络场景数据，在任意两个移动用户与无人机UAV中继之间，根据二进制特征参数和上行接入链路信道增益差异判决条件，来构建时变信道关系模型；
速率计算模块，用于利用所述时变信道关系模型得到的UAV中继在每个时隙下的接收信干噪比，来计算移动用户到UAV中继的上行接入链路数据速率，以及利用远端基站在每个时隙下的接收信噪比，来计算UAV中继到远端基站的上行回传链路数据速率；
可行解计算模块，用于构建所述上行回传链路数据速率对应的上行平均可达和速率的最大化问题的优化模型，并在满足优化模型的约束条件下对上行平均可达和速率进行优化，得到上行平均可达和速率最大时对应的可行解；
方案分配模块，用于基于所述上行平均可达和速率最大时对应的可行解，实现优化方案分配。
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